plik


L OLIMPIADA CHEMICZNA P M I LI A A KOMITET GAWNY OLIMPIADY CHEMICZNEJ (Warszawa) D O 1954 2003 50 ETAP I CH A EM C Z N I Zadania teoretyczne ZADANIE 1 Synteza leku Zwizek E, lek stosowany zewntrznie przeciwko [wierzbowi, mo|na otrzyma ze zwizku A w trzyetapowej syntezie wedBug nastpujcego schematu: NaOH + Etap I: 2A B C H2O HCl D Etap II: C H2SO4 + + H2O D E B Etap III: Zwizek A zawiera pier[cieD benzenowy i reaguje pozytywnie w prbie Trommera. Etap I jest przykBadem reakcji dysproporcjonowania w chemii organicznej, czyli reakcji utleniania i redukcji, w ktrej zarwno utleniaczem jak i reduktorem jest ten sam zwizek. W wyniku analizy spaleniowej ze 100 mg zwizku E otrzymano 290,4 mg CO2 i 50,9 mg H2O. Ponadto wiadomo, |e w skBad zwizkw A, B, D i E wchodzi - oprcz wgla i wodoru - tylko tlen, masa molowa ka|dego ze zwizkw A, B i D nie przekracza 125 g/mol, oraz |e masa molowa zwizku E stanowi dwukrotno[ masy molowej zwizku A. 1. Poda wzory strukturalne zwizkw A - E. Odpowiedzi nale|y uzasadni, wyprowadzajc 2 przy tym wzr sumaryczny zwizku E. 2. Wskaza, ktry ze zwizkw: B czy C powstaB w wyniku redukcji, a ktry w wyniku utleniania zwizku A. Uwaga! Masy molowe nale|y w obliczeniach zaokrgli do drugiego miejsca po przecinku. ZADANIE 2 MineraBy krzemianowe Krzemiany wystpuj powszechnie na Ziemi tworzc wiele r|norodnych mineraBw. Badajc jeden z takich mineraBw stwierdzono, |e jest on jednorodnym zwizkiem A o nastpujcym skBadzie: 48,9 % Fe, 3,8 % Mg, 14,5 % Si i 32,8 % O. krysztaB grski 1. (a) Ustal wzr sumaryczny tego krzemianu. (b) Jakie jony (rodzaj i Badunek) wchodz w skBad tej soli? (c) Jak mo|na wyja[ni nietypowy stosunek zawarto[ci Fe i Mg w tym zwizku ? Istnieje wiele analogw zwizku A, w ktrych stosunek liczby moli Fe do Mg mo|e by praktycznie dowolny, przy tym samej zawarto[ci Si i O wyra|onej w % molowych (atomowych). (d) Jakie cechy atomw (jonw) Fe i Mg decyduj o mo|liwo[ci wystpienia tego zjawiska ? 2. Zapisz wzr zwizku B, analogu zwizku A, w ktrym atomy Fe s zastpione atomami Mg (taki mineraB rwnie| wystpuje w przyrodzie). 3. MineraBy krzemianowe ulegaj procesom wietrzenia (rozkBadu) pod wpBywem wody i CO2. Zapisz jonowo zbilansowane rwnanie reakcji takiego rozkBadu dla zwizku B, wiedzc, |e jedynym nierozpuszczalnym w wodzie produktem jest SiO2. 4. Dlaczego w[rd ditlenkw grupy wglowcw, SiO2 jest substancj staB, natomiast CO2 jest gazem ? 3 Uwaga! Masy molowe nale|y w obliczeniach przyj z dokBadno[ci podan w dostpnej tabeli ukBadu okresowego. ZADANIE 3 Rwnowagi chemiczne I. Dysponujc nastpujcymi normalnymi potencjaBami standardowymi: 2- S2O8(aq) / SO2- Eo = +2,00 V 4(aq) - - ClO(aq) / Cl(aq) Eo = +0,84 V N2H4(aq) / NH3(aq) Eo = +0,15 V + H(aq) / H Eo = 0,00 V 2(g) CrO2- / Cr(OH)3(s) Eo = -0,13 V 4(aq) + Na / Na Eo = -2,71 V (aq) (s) a) Okre[l, w ktr stron bd przesunite rwnowagi poni|szych reakcji. Odpowiedzi uzasadnij. b) Uzgodnij wspBczynniki stechiometryczne tych reakcji. Podaj odpowiednie rwnania poBwkowe. - - N2H4 + Cl(aq) NH3(aq) + ClO(aq) 2- CrO2- + SO2- Cr(OH)3(s) + S2O8(aq) 4(aq) 4(aq) II. Napisz reakcje nastpujcych kwasw i zasad Brnsteda z wod. Wska| sprz|one ze sob pary kwas- zasada. - 2- a) HS(aq) b) NH+ c) CO3(aq) d) (CH3 )2 NH 4(aq) 4 III. {Bty, nierozpuszczalny w wodzie, jodek srebra(I) reaguje z wodnym roztworem cyjanku potasu, tworzc rozpuszczalny w wodzie dicyjanosrebrzan(I) potasu oraz sl A zBo|on z dwch pierwiastkw. a) Zidentyfikuj sl A b) Napisz rwnanie powy|szej reakcji c) 1,0 mol jodku srebra zmieszano z roztworem wodnym zawierajcym 0,5 mola cyjanku potasu. Po pewnym czasie stwierdzono, |e mieszanina zawiera 0,15 mola soli A. Jakie skBadniki (oprcz wody) i w jakiej ilo[ci wystpuj w tym momencie w tej mieszaninie? d) Podaj budow elektronow lub wzr kreskowy jonu cyjankowego ZADANIE 4 BiomolekuBy zaanga|owane w przekazywanie informacji genetycznych W procesach genetycznych najwa|niejsz rol odgrywaj trzy rodzaje czsteczek chemicznych: DNA, RNA i biaBka. Poni|szy schemat przedstawia przepByw informacji genetycznej zachodzcy w wikszo[ci komrek. transkrypcja translacja replikacja DNA RNA BiaBko a) zwizki, nale|ce do tych trzech grup nazywane s biopolimerami. Poni|ej przedstawiono monomery wchodzce w skBad tych makroczsteczek. Przyporzdkuj monomery do odpowiednich grup (DNA, RNA, biaBka). 5 O O H3C N NH NH OH OH HO P O N O HO P O N N NH2 O O O O 2. 1. OH OH OH NH2 N N O OH HO P O N N O OH O NH2 OH OH 4. 3. NH2 N OH O HO P O N O O HO OH O NH2 OH 6. 5. b) przyporzdkuj poni|sze hasBa do odpowiednich trzech wymienionych wy|ej grup (Uwaga! niektre hasBa mog si wiza z wicej ni| jedn grup) - koniec 5 - enzym - deoksyryboza - beta-harmonijka - zasada purynowa - podwjna helisa - grupa 2 hydroksylowa - C-koniec - wizanie N-glikozydowe - wgiel asymetryczny - wizanie amidowe c) narysuj struktury nastpujcych dimerw: 5 -GA-3 oraz Ser-Phe (monomery znajduj si na schemacie powy|ej) 6 d) na narysowanych dimerach zaznacz wizania: peptydowe i fosfodiestrowe Uwaga! W podpunktach a) i b) ka|de nieprawidBowe przyporzdkowanie hasBa do grupy bdzie obni|aBo ocen tych podpunktw. ZADANIE 5 WpByw struktury izomerycznych alkenw na ich trwaBo[ na przykBadzie butenw. K1 K2 K3 Na podstawie poni|szych danych termodynamicznych: warto[ci standardowych (T = 298 K) entalpii spalania Hosp i entropii molowych So substancji, zestawionych dla temperatury T = 298 K: 1. Oszacuj entalpie izomeryzacji 1-butenu do cis- i trans-2-butenu. Naszkicuj cykl termochemiczny dla jednego z tych izomerw. 2. Wska|, ktry z izomerw jest termodynamicznie najtrwalszy w temperaturze 298 K. Odpowiedz uzasadnij obliczeniami. 3. Oblicz warto[ci staBych rwnowagi K1, K2, K3. 4. ZakBadajc niezale|no[ entalpii i entropii reakcji od temperatury oszacuj, w jakiej temperaturze cis- i trans-2-buten staj si jednakowo trwaBe. l.p. alken So / J.mol-1.K-1 Hosp / kJ.mol-1 1 1-buten 306 -2717 2 cis-2-buten 301 -2710 3 trans-2-buten 297 -2707 StaBa gazowa R = 8,314 J.mol-1.K-1 7 Rozwizanie zadania 1. 1. Ustalamy wzr sumaryczny zwizku E. W 290,4 mg CO2 jest zawarte: 290,4 x 12,01 / 44,01 = 79,25 mg wgla; w 50,9 mg H2O znajduje si: 50,9 2,02 / 18,02 = 5,71 mg wodoru. Reszta przypada na tlen: 100 - 79,25 - 5,71 = 15,04 mg. SkBad procentowy zwizku E: C  79,25 %, H  5,7 %, O  15,05 %. A wic: 79,25 / 12,01 : 5,71 / 1,01 : 15,04 / 16 = 6,60 : 5,65 : 0,94 = 7,02 : 6,01 : 1 E" 7 : 6 : 1. Wzr empiryczny zwizku E to: C7H6O. Poniewa| zwizek A zawiera pier[cieD benzenowy, wic wycigamy wniosek, |e w caBym cigu A ! E mamy do czynienia ze zwizkami aromatycznymi. Zwizki A, B i D mog zawiera tylko jeden pier[cieD benzenowy, aby miaBy mas molowa mniejsz od 125 g/mol. Wyprowadzony wzr: C7H6O wskazuje na mas molow 106,12, a zatem aby masa molowa zwizku E byBa dwa razy wiksza od masy molowej zwizku A, zwizek E musi zawiera dwa pier[cienie aromatyczne. Wzr sumaryczny zwizku E: C14H12O2. 2. Wzr C7H6O, speBniajcy warunek poBowy masy czsteczkowej zwizku E, trzeba przyporzdkowa zwizkowi A. Temu wzorowi odpowiada aldehyd benzoesowy. Znan reakcj dysproporcjonowania, ktrej ulegaj aldehydy aromatyczne jest reakcja Cannizzaro (podanie tej nazwy nie jest od zawodnikw wymagane), w wyniku czego tworzy si alkohol i sl kwasu karboksylowego. Zwizek C  jak wynika z dalszych etapw procesu - musi by sol kwasu benzoesowego, za[ zwizek B  alkoholem benzylowym. Ostatni etap cigu syntezy to reakcja estryfikacji alkoholu benzylowego z kwasem benzoesowym. Wzory strukturalne zwizkw A - E przedstawiaj si zatem nastpujco: 3. Zwizek B to alkohol benzylowy, czyli produkt redukcji aldehydu benzoesowego. Produktem utleniania aldehydu jest sl kwasu benzoesowego, a wic zwizek C. 8 Rozwizanie zadania 2. 1. (a) Stosunek molowy pierwiastkw wynosi: Fe : Mg : Si : O = (48,9/55,845) : (3,8/24,305) : (14,5/28,0855) : (32,8/15,9994) H" 0,88 : 0,16 : 0,52 : 2,05 H" 1,7 : 0,3 : 1 : 4, czyli zwizek A jest opisywany wzorem Fe1,7Mg0,3SiO4. MineraB ten nosi nazw oliwinu. (Uwaga: dopuszczalny jest dowolny wzr wyra|ajcy prawidBowo stosunek liczby moli, np. Fe17Mg3Si10O40 ). (b) W skBad soli wchodz jony: Fe2+, Mg2+ i SiO4- . 4 (c) Nietypowy i dowolny stosunek zawarto[ci jonw Fe2+ i Mg2+ mo|na wyja[ni tym, |e jony Fe2+ i Mg2+ mog si wzajemnie zastpowa w sieci krystalicznej. Zwizek ten mo|na traktowa jak  staBy roztwr Fe2SiO4 i Mg2SiO4. Zjawisko takie nazywamy izomorfizmem, a jony Fe2+ i Mg2+ stanowi par izomorficzn (Uwaga! nie jest wymagana znajomo[ pojcia izomorfizmu i pary izomorficznej). (d) Par izomorficzn tworz jony o tym samym Badunku i podobnych promieniach. 2. Zwizek pozbawiony Fe byBby opisywany wzorem Mg2SiO4 (zwizek B). W przyrodzie wystpuje jako mineraB forsteryt (Uwaga: nie jest wymagana znajomo[ nazw mineraBw: oliwin, forsteryt). 3. Mg2SiO4 + 2H2O + 4CO2 ! 2Mg2+ + 4HCO3- + SiO2 4. Krzem ze wzgldu na du|y promieD atomowy nie mo|e tworzy wizaD  i w rezultacie - wizaD podwjnych. W przypadku CO2, wskutek obecno[ci wizaD podwjnych, wszystkie wizania s wysycone. Dziki temu mog istnie trwaBe oddzielne czsteczki tego zwizku. Takiej mo|liwo[ci wysycenia nie ma w przypadku SiO2 i atom tlenu musi Bczy si z dwoma atomami Si. W wyniku tego tworzy si rozbudowana struktura ciaBa staBego o wzorze sumarycznym SiO2. Rozwizanie zadania 3 9 Pytanie I. A + ne = B; A  utleniacz (forma utleniona); B  reduktor (forma zredukowana) Ze znajomo[ci warto[ci potencjaBw standardowych i kolejno[ci ich uBo|enia wypBywa szereg praktycznych wnioskw: 1) gdy potencjaB standardowy jest niski, to forma zredukowana danego ukBadu jest silnym reduktorem, natomiast gdy potencjaB standardowy jest wysoki, to forma utleniona danego ukBadu jest silnym utleniaczem 2) im ukBad ma ni|szy potencjaB standardowy, tym jest on silniejszym reduktorem, Batwiej jest zatem przeprowadzi go w form utlenion, za[ trudniej z tej postaci przeprowadzi do formy zredukowanej 3) ukBad o ni|szej warto[ci potencjaBu standardowego mo|e by reduktorem w stosunku do ukBadu o wy|szym potencjale. 4) im wiksza jest r|nica pomidzy warto[ciami potencjaBw standardowych dwch wybranych ukBadw, tym bardziej prawdopodobne jest, |e po ich zmieszaniu ze sob ten o ni|szym potencjale ulegnie utlenieniu, a ten o wy|szym potencjale - redukcji. Opierajc si na powy|szych wnioskach mo|na stwierdzi, |e: a) Rwnowaga ta jest przesunita w stron lew ( ClO- - utleniacz ; NH3  reduktor ) Rwnania reakcji poBwkowych: - - ClO(aq) + H2O + 2e = Cl(aq) + 2OH- (aq) - 2NH3(aq) + 2OH(aq) = N2H4(aq) + 2H2O + 2e Rwnanie reakcji sumarycznej: - - 2NH3(aq) + ClO(aq) = N2H4 + Cl(aq) + H2O 2 b) Rwnowaga ta jest przesunita w stron lew ( S2O8- - utleniacz ; Cr(OH)3 - reduktor ) Rwnania poBwkowe: 10 - Cr(OH)3(s) + 5OH(aq) = CrO2- + 4H2O + 3e 4(aq) 2- S2O8(aq) + 2e = 2SO2- 4(aq) Rwnanie sumaryczne: 2- 2Cr(OH)3(s) + 3S2O8(aq) + 10OH- = 2CrO2- + 6SO2- + 8H2O 4(aq) 4(aq) Pytanie II. Zgodnie z definicj Brnsteda kwasem jest zwizek chemiczny bdcy donorem protonu, za[ zasad - zwizek bdcy akceptorem protonu. Poniewa| w trakcie ka|dej reakcji kwas-zasada, kwas - oddajc proton - przeksztaBca si w potencjaln zasad, za[ zasada - przyjmujc proton - przeksztaBca si w potencjalny kwas, wprowadzono pojcia kwasu i sprz|onej z nim zasady oraz zasady i sprz|onego z ni kwasu. - 2- a) HS(aq) + H2O = S(aq) + H3O+ HS- (kwas) - S2- (sprz|ona zasada) H2O (zasada) - H3O+ (sprz|ony kwas) - - HS(aq) + H2O = H2S(aq) + OH(aq) HS- (zasada) - H2S (sprz|ony kwas) H2O (kwas) - OH- (sprz|ona zasada) + b) NH+ + H2O = NH3(aq) + H3O(aq) 4(aq) NH+ (zasada) - NH3 (sprz|ona zasada) 4 H2O (zasada) - H3O+ (sprz|ony kwas) 2- - - c) CO3(aq) + H2O = HCO3(aq) + OH(aq) 2 - CO3- (zasada) - HCO3 (sprz|ony kwas) H2O (kwas) - OH- (sprz|ona zasada) 11 - d) (CH3 )NH(aq) + H2O = (CH3 )NH+ + OH(aq) 2(aq) (CH3)2NH (zasada) - (CH3)NH+ (sprz|ony kwas) 2 H2O (kwas) - H2O (sprz|ona zasada) Pytanie III. a) Sol A jest jodek potasowy KI b) AgI(s) + 2KCN(aq) ! KAg(CN)2(aq) + KI(aq) ! c) Je|eli w mieszaninie znajduje si w danym momencie 0,15 mola KI, to taka sama ilo[ AgI ulegBa reakcji. PrzereagowaBo rwnie| 0,30 mola KCN. W zwizku z tym skBad mieszaniny jest nastpujcy: KI - 0,15 mola KAg(CN)2 - 0,15 mola AgI - 0,85 mola KCN - 0,20 mola d) Wzr kreskowy jonu CN- - C N Rozwizanie zadania 4 a) skBadniki DNA: 1, 5 skBadniki RNA: 2, 4 skBadniki biaBek: 3, 6 b) hasBa zwizane z DNA: koniec 5 , deoksyryboza, zasada purynowa, podwjna helisa, wizanie N-glikozydowe, wgiel asymetryczny hasBa zwizane z RNA: koniec 5 , zasada purynowa, grupa 2 -hydroksylowa, wizanie N-glikozydowe, wgiel asymetryczny, enzym hasBa zwizane z biaBkami: enzym, beta-harmonijka, C-koniec, wizanie amidowe, wgiel asymetryczny 12 c) i d): O N NH OH HO P O N N NH2 O O NH2 N O OH N HO P O N N O O 5'-GA-3' wizanie fosfodiestrowe OH OH wizanie peptydowe O O H2N H N OH HO Ser-Phe Rozwizanie zadania 5. 1. Hoizom Hosp1 Hosp2 4 CO2 + 4 H2O Hosp1= Hoizom + Hosp2 Hoizom = Hosp1 - Hosp2 = -2717 (-2710) = -7 kJ/mol Analogicznie dla trans-2-butenu Hoizom = -2717 (-2707) = -10 kJ/mol 2. Nale|y obliczy warto[ci standardowej entalpii swobodnej reakcji izomeryzacji: 13 Goizom = Hoizom-TSoizom a) 1-buten ! cis-2-buten: Goizom =  7  298(301 306)/1000 =  5,5 kJ/mol b) 1-buten ! trans-2-buten: Goizom =  10  298(297 306)/1000 =  7,3 kJ/mol c) cis-2-buten ! trans-2-buten: Goizom =  7,3 ( 5,5) =  1,8 kJ/mol Zatem szereg trwaBo[ci jest nastpujcy: trans-2-buten > cis-2-buten > 1-buten 3. Warto[ci staBych rwnowagi mo|na obliczy na podstawie rwnania izotermy van t Hoffa: Goizom =  RT lnK lnK =  Goizom/RT K1 = exp[ ( 7300)/(8,314298)] = 19,0; K2 = 9,2; K3 = 2,1 4. Musi by speBniony warunek: Gizom H" Hoizom -TSoizom = 0 Podstawiajc warto[ci standardowej entalpii i entropii izomeryzacji cis!trans wyznaczamy szukan temperatur:  3000  T(297 301) = 0 T = 3000/4 T H"750 K W wy|szych temperaturach trwalszy staje si izomer cis. Autorami zadaD s: zadanie 1 - Janusz StpiDski, zadanie 2 - Krzysztof Maksymiuk, zadanie 3 - Zbigniew Brylewicz, zadanie 4 - Jacek Jemielity, zadanie 5 - Sergiusz LuliDski

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
47 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
49 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
53 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
45 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
48 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
54 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
52 Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
51Olimpiada chemiczna Etap I Zadania teoretyczne
50 Olimpiada chemiczna Etap III
49 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne
52 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne
45 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne
51 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne
54 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne
53 Olimpiada chemiczna Etap III Zadania teoretyczne
45 Olimpiada chemiczna Etap 0

więcej podobnych podstron